Einleitung
Dish-Stirling-Systeme sind Anlagen zur dezen- tralen solarthermischen Stromerzeugung, die direkte Sonnenstrahlung nutzen. Ihre elektri- sche Leistung liegt typischerweise zwischen 5 und 50 kW. Durch diesen Leistungsbereich und die Möglichkeit, mehrere Systeme zu einer
„Farm“ zusammenzuschalten, sind die Dish- Stirling-Systeme für einen weiten Einsatzbereich geeignet. Leistungen von 5 kW bis in den MW- Bereich können damit abgedeckt werden und bieten damit einen Ersatz für die heute weit verbreiteten Diesel-Aggregate.
Die wesentlichen Komponenten eines Dish- Stirling-Systems sind in Abb.1dargestellt. Eine rotationssymmetrisch parabolisch gekrümmte Konzentratorschale mit kurzer Brennweite bün- delt Solarstrahlung auf den nahe seines Brenn- punktes angeordneten Receiver mit der Stirling- einheit. Da gerichtete (direkte) Solarstrahlung konzentriert wird, müssen Konzentrator und Stirlingeinheit kontinuierlich zweiachsig der Son- ne nachgeführt werden. Der Receiver absorbiert die Strahlung und führt sie als Hochtemperatur- wärme dem Stirlingmotor zu, der sie über den
Stirling-Kreisprozess in mechanische Energie wandelt. Ein direkt an die Kurbelwelle des Stirlingmotors gekoppelter Generator formt diese dann in elektrische Energie um.
Bisher ausgeführte Systeme
Anfang und Mitte der 80er Jahre wurden in den USA in mehreren Projekten (JPL, Vanguard, McDonnel Douglas) die ersten modernen Dish- Stirling-Anlagen mit 25 kW elektrischer Leistung gebaut [1]. Heute arbeiten in den USA drei Konsortien an der Markteinführung der Dish- Stirling-Technologie. Stirling Engine Systems (SES) ist dabei, zusammen mit Boeing und der schwedischen Firma Kokums, das 25 kW- Modul von McDonnel Douglas zu überarbei- ten. Science Applications International Corpo- ration (SAIC) und Stirling Thermal Motors (STM) entwickeln ein 22 kW-Modul. Sandia National Laboratories entwickelt ein 10 kW- System für netzunabhängigen Betrieb. Eine Übersicht über die internationale Entwicklung von Dish-Stirling-Systemen findet sich in [2 und 3].
In Deutschland arbeitet seit 1984 Schlaich Ber- germann und Partner (SBP) an der Entwicklung von Dish-Stirling Systemen. In Saudi-Arabien wurden zwei Einheiten mit Konzentratoren von 17 m Durchmesser und 50-kWel-Stirlingmotoren errichtet. Die weitere Entwicklung bei SBP kon- zentrierte sich auf erheblich vereinfachte und kostengünstigere Anlagen (V 160), mit der nach einem Prototypen in Stuttgart (1988) [4]fünf Einheiten mit einem 7,5m Durchmesser-Kon- zentrator und 9 kW elektrischer Leistung ver- wirklicht wurden. Drei dieser Systeme wurden 1992 im Rahmen des Projektes Distal I auf der Plataforma Solar de Almería in Südspanien gebaut und im Dauerbetrieb getestet [5]. Diese Anlagen markieren mit über 30.000 kumulier- ten Betriebsstunden die weltweit umfangreich- sten Betriebserfahrungen mit solchen Systemen.
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Dish-Stirling-Systeme
Eine Technologie zur dezentralen solaren Stromerzeugung
Abbildung 1 Dish-Stirling-Prinzip Dipl.-Ing. Doerte Laing DLR
Doerte.Laing@dlr.de
Dipl.-Phys.
Wolfgang Schiel Schlaich Bergermann und Partner (SBP) W.Schiel@sbp.de
Dr.-Ing. Peter Heller DLR
Peter.Heller@dlr.de
Konzentrator Schale
Elevations Lager
Ringträger Antriebsschiene Elevation Schaltschrank
Azimuthantrieb
Stirling Einheit
Stirling Tragwerk
Drehstand
Antriebsschiene Azimut
Fundament
1996 wurde im Rahmen des Projektes Distal II in Almería mit dem Aufbau von drei weiteren Einheiten der nächste Entwicklungsschritt ver- wirklicht [6]. Diese Anlagen sind mit Konzentra- toren von 8,5 m Durchmesser, Stirlingmotoren von 9 kW elektrischer Leistung und einer vollau- tomatischen Steuerung ausgestattet (Abb. 2) und werden seither kontinuierlich betrieben.
Das EuroDish-Projekt
1998 folgte der Startschuss für die nächste Generation von Dish-Stirling-Anlagen bei SBP.
Zusammen mit sechs weiteren deutschen und spanischen Partnern und unter Förderung der Europäischen Kommission wurde ein fortge- schrittenes System entwickelt, der EuroDish.
Hauptziel dieses Projekts war die Verringerung der hohen Anlagenkosten. Zwei Prototypen wurden bis 2001 auf der Plataforma Solar de Almería errichtet und befinden sich inzwischen im Erprobungsbetrieb (Abb. 3).
Dies sind die wesentlichen Komponenten des Systems:
Konzentrator
Die Konzentratoren der vorangegangenen Systeme wurden in Metallmembran-Technik ausgeführt. Dabei werden dünne Edelstahlble- che (0,2 bis 0,5 mm) in einem formgebenden Lastfall plastisch in die gewünschte Geometrie verformt und im Betrieb durch einen geringen Unterdruck im Konzentratorgehäuse stabilisiert.
Mit dieser Technologie können sehr präzise und steife Konzentratoren gebaut werden, doch der Montageaufwand vor Ort ist beim Bau von ein- zelnen Anlagen sehr hoch. Die damit verbunde- nen Kosten können erst durch Errichtung einer größeren Anzahl von Systemen an einem Auf- stellort entscheidend verringert werden.
Da im Zuge der Markteinführung jedoch die Aufstellung einzelner Anlagen oder kleinerer Cluster im Vordergrund stehen, wurde beim Konzentrator des EuroDish ein ganz neuer Weg beschritten. Der Konzentrator mit 8,5 m Durch- messer wird nunmehr als dünnwandige Sand- wichschale aus faserverstärktem Epoxidharz ausgeführt. Die Konzentratorschale besteht aus zwölf gleichen Segmenten, die auf einem sehr
präzisen Formwerkzeug laminiert, wärmebe- handelt und zur Versteifung rückseitig mit einer Rippe versehen werden. Die Vorderseite wird mit Dünnglasspiegeln (0,9 mm) beklebt, die eine dauerhaft hohe Reflektivität von rund 94 % gewährleisten.
Bei der Montage wird zunächst ein Fachwerk- Ringträger aufgebaut. Die Schalensegmente werden in einem Container angeliefert und in einer Drei-Punkt-Lagerung auf dem Ringträger sowie mittig auf einem einfachen Zentrierwerk- zeug montiert, wobei zur Justierung lediglich ein optisches Nivellier benötigt wird (Abb. 4).
Sind alle Segmente montiert, so werden diese entlang ihrer radialen Kanten verklebt. Durch die formschlüssige Verbindung entfaltet sich die vorteilhafte Schalentragwirkung und bildet so ein sehr steifes und leichtes Bauteil mit hoher
Formtreue. 31
Abbildung 2 Dish-Stirling System Distal II in Almería
Abbildung 3 EuroDish-Prototypen auf der Plataforma Solar de Almería, Spanien
Nachführung
Da der Konzentrator im Betrieb stets exakt auf die Sonne ausgerichtet sein muss, wird er in zwei Achsen beweglich montiert. Neben der in den Vorgängeranlagen Distal I realisierten polaren Aufhängung, bei der eine Achse parallel zur Erd- achse verläuft, die andere senkrecht dazu, kann diese Bewegung auch mit einer azimuthalen Montierung erfolgen. Beim EuroDish verläuft hierbei die Azimuthachse senkrecht und die Elevationsachse parallel zur Erdoberfläche. Ein als Rohrkonstruktion ausgeführter sogenannter Drehstand sorgt für die azimuthale Bewegung, indem er auf sechs Rädern auf einem ringförmi- gen Fundament mit dem zentralen Azimuthla- ger abrollt. In 5,7 m Höhe sind auf dem Dreh- stand die Elevationslager angeordnet, in denen der Konzentrator aufgehängt ist.
Um die hohen Drehmomente aufzunehmen, die unter Windlast auf den Konzentrator wirken, werden die resultierenden Kräfte über Rollen-
ketten und Antriebsbögen (9,3 m Durchmesser) in die mit Servomotoren ausgestatteten Antrie- be eingeleitet, sodass recht kleine und preis- günstige Getriebe und Motoren verwendet wer- den können (Abb. 5). Die aktuelle Position wird über hochgenaue Drehgeber an die Steuerung zurückgemeldet.
Receiver
Der Receiver ist das Bindeglied zwischen Kon- zentrator und Stirlingmotor und damit ein hochbeanspruchtes Bauteil. Es muss einer Reihe von teilweise gegenläufigen Anforderungen genügen: Einerseits muss die Solarstrahlung zu einem hohen Anteil absorbiert und zugleich die infrarote Abstrahlung minimiert werden, zum anderen verlangt der Stirling-Kreisprozess hohe Temperaturen, hohe Arbeitsgasdrücke und einen kompakten Wärmeaustauscher mit gerin- gem Schadvolumen.
Der eingesetzte Receiver besteht aus 78 Rohren, die über Sammler an den Arbeitsraum des Motors angeschlossen werden. Jedes einzelne Rohr besteht aus einer hochtemperatur- und korrosionsbeständigen Nickelbasislegierung, Außendurchmesser 3 mm, Wandstärke 0,6 mm.
Auf der Rückseite sind Thermoelemente zur Temperaturüberwachung angebracht. Die maximalen Temperaturen auf den bestrahlten Rohrvorderseiten liegen bei etwa 900 °C bei einem mittleren Arbeitsgasdruck von bis zu 150 bar.
Der Receiver befindet sich etwa 15 cm hinter dem Brennpunkt des Konzentrators, wodurch er deutlich geringeren Strahlungsflussdichten aus- gesetzt ist als im Brennpunkt. Ein wassergekühl- ter Aluminiumzylinder bildet einen Hohlraum 32
Abbildung 4 Konzentratorschale und Segmenthandling
Abbildung 5 Drehstand und Antriebseinheit mit Servomotor und Getriebe
vor dem Receiver (Cavity), dessen Öffnung in der Brennebene liegt. Dadurch werden die Wär- meverluste durch Konvektion und infrarote Abstrahlung deutlich verringert. Rückseitig ist der Receiver mit einer keramischen Isolierung versehen, die vollständig in Edelstahlblech gekapselt ist.
Beim EuroDish wird die Jahresenergieausbeute der Anlage gesteigert, indem der Konzentrator mit rund 25 % größerer Fläche ausgelegt wurde als für die Nennleistung des Stirlingmotors erfor- derlich (solares Vielfaches). Dadurch muss bei Einstrahlungen ab rund 850 W/m2überschüssi- ge Wärme abgeführt werden, was durch ein kleines auf die Receiverrohre gerichtetes Ge- bläse erfolgt. Durch diese Leistungsabregelung wird zwar bei hoher Einstrahlung Energie ver- schenkt. Der Vorteil ist aber, dass der Stirling- motor bei geringer und mittlerer Einstrahlung auch mit hohem Wirkungsgrad betrieben wer- den kann. In der Jahresenergiebilanz führt dies insbesondere bei Standorten mit relativ weni- gen Stunden mit maximaler Einstrahlung zu einem Gewinn von fast 30 % gegenüber einer Dimensionierung ohne solares Vielfaches.
Stirling 161
Der beim EuroDish eingesetzte Stirling 161 der Solo Kleinmotoren GmbH basiert auf der ursprünglich von der schwedischen United Stir- ling AB entwickelten Anlage V 160 und wird seit
1990 von Solo weiterentwickelt und in Prototy- penstückzahlen gebaut [7]. Derzeit wird bei Solo eine Kleinserienfertigung dieser Maschine als gasbetriebenes BHKW aufgebaut.
Der Stirling 161 (Abb. 6)wird mit Helium als Arbeitsgas betrieben und erreicht bei einem mittleren Druck von 150 bar, eine Gastempera- tur von 650 °C und mit 1.500 U/min eine elek- trische Leistung von 9 bis 10 kW. Das Kurbel- gehäuse ist drucklos, die Zylinder wassergekühlt.
Die Rückkühlung des Kühlwassers erfolgt im geschlossenen Kreislauf mittels einer Umwälz- pumpe durch einen Wasser/Luftkühler. An der Kurbelwelle ist ein Asynchrongenerator ange- flanscht, der direkt ins Netz einspeist.
Die Hauptaufgabe der Mikroprozessor-Motorre- gelung besteht in der Steuerung des Arbeitsgas- druckes im Motor, der über Ventile, einen Kom- pressor und einen Hochdruck-Vorratsbehälter dem jeweiligen solaren Leistungsangebot ange- passt wird.
Testbetrieb und Ausblick
Zwei Prototypen des EuroDish-Systems wurden im Dezember 2000 und Juni 2001 auf der Plata- forma Solar de Almería errichtet und in Betrieb genommen. Während des Testbetriebs wurden die Steuerungssoftware verbessert und die Antriebe weiterentwickelt. Inzwischen sind die Anlagen im vollautomatischen Betrieb und wer- den vom Personal des DLR betreut.
Gegenwärtig wird der nächste Entwicklungs- schritt in Angriff genommen. Mit finanzieller Förderung des Bundesumweltministeriums wer- den drei Arbeitspakete bearbeitet:
• Die beiden EuroDish Prototypen in Almería werden weiter betrieben, um Betriebserfahrun- gen zu sammeln. Zudem dienen sie auch dazu, weiterentwickelte Komponenten zu erproben und zukünftige Anlagenbetreiber zu schulen.
• Weitere Leistungssteigerung der Anlagen und Maßnahmen zur Kostensenkung bei Kom- ponentenherstellung und Montage sollen den Übergang in eine Kleinserienfertigung ermögli- chen und die bisher noch hohen Systemkosten
verringern. 33
Abbildung 6
Stirling V161 von Solo Kleinmotoren GmbH mit Solarreceiver
• Bei drei ausgewählten Nutzern (z.B. Energie- versorgungsunternehmen) werden so genannte Länderreferenzanlagen gebaut. Damit können Montage, Betrieb und Wartung unter marktna- hen Bedingungen erprobt werden. Außerdem wird die Technik für die Öffentlichkeit und potenzielle Betreiber sichtbar.
Literatur
[1] Lopez, C. W.; Stone, K.W.:
Design and Performance of the Southern California Ediosn Stirling Dish. Solar Engineering Vol. 2 ASME, USA 1992.
[2]Stine, W. B.; Diver, R.B.:
A Compendium of Solar Dish-Stirling Tech- nology. Sandia-Bericht Sand 93-7026 UC- 236, USA 1994.
[3]Schiel, W.; Laing, D.:
Survey on Solar-Electric Dish-Stirling Tech- nology. Proceedings of the VDI-GET 10th International Stirling Engine Conference Osnabrück, ISBN3-931384-38-1, 2001.
[4]Keck, T.; Benz, R.; Schiel, W.:
Bau und Test eines 7,5-m-Dish-Stirling- Systems. Abschlussbericht zum Forschungs- vorhaben 0328925C (BMFT), Schlaich Ber- germann und Partner, Stuttgart (1990), unveröffentlicht.
[5]Schiel, W.; Schweizer, A.; Stine, W.:
Evaluation of the 9-kW-Dish-Stirling-System of Schlaich Bergermann und Partner Using the Proposed IEA Dish-Stirling Performance Analysis Guidelines, Proceedings of the 29th IECEC, Monterey, CA, August 7-12, 1994.
[6]Keck, T.; Schiel, W.; Schweitzer, A.:
Auf den Punkt genau. Sonnenenergie (1998), Nr. 3. DGS-ISES, ISSN 0172-3278, München 1998.
[7]Baumüller, A.; Schiel, W.:
Single Acting 10 kW (el) Stirling Engine Application and Results. 8. ISEC, University of Ancona, Italien, 1997.
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